利用吸附技术提取盐湖卤水中锂的研究进展
2023-11-12
来源:乌哈旅游
・ 116 ・ 材料导报A:综述篇 2017年9月(A)第3l卷第9期 利用吸附技术提取盐湖卤水中锂的研究进展 许乃才 ,史丹丹。,黎四霞 ,刘 忠 ,董亚萍 ,李 武 (1 青海师范大学化学化工学院,西宁810008;2中国科学院青海盐湖研究所,西宁810008; 3青海省科学技术信息研究所,西宁810008) 摘要 综述了无机吸附剂提取盐湖卤水中锂的研究进展。详细叙述了铝基吸附剂,层状离子交换吸附剂,钛基、锑基和锰基 锂离子筛的提锂原理及发展现状,并根据物质结构特点指出了各类吸附剂的优势以及在提锂过程中存在的不足,提出了相应的改 进方向。作为一种新型、高效、绿色的提锂剂,锰基吸附材料的发展前景被普遍看好,重点讨论了锰基吸附材料制备手段及掺杂改 性研究.并对其发展进行了展望。 关键词 盐湖卤水吸附提取锂离子筛 中图分类号:q-13383 文献标识码:A DOI:10.11896/j.issn.1005—023X.2017.O17.Ol7 Advances in Extracting Lithium from Salt—lake Brines by Adsorption Technique XU Naicai ~,SHI Dandan。,I.I Sixia ,IAU Zhong。,DONG Yaping ,I.I Wu (1 School of Chemistry and Chemical Engineering,Qinghai Normal University,Xining 810008:2 Qingha Institute of Salt Lakes,Chinese Academy of Sciences,Xining 810008;3 Institute of Science and Technology Information of Qinghai Province,Xining 810008) Abstract The research progress of lithium extraction in salt lake brines by inorganic adsorbents is reviewed.The principle of extracting lithium and development status of aluminum based adsorbent,layered ion exchange adsorbent,titanium,antimony and manganese based lithium ionic sieves are described in detail.The advantages and the deficiencies in the process of extracting lithium of all kinds of adsorbents are pointed out according to their structural characteristics,and the corresponding improvement measurements are also proposed.As a new,efficient and green agent for lithium extraction,manganese based adsorbents show good development prospect.The preparation methods and doping modification of manganese oxides lithium ion sieve are discussed,and the development prospects are also expounded. Key words salt—lake brines。adsorption.extract.1ithium。ionic sieve 0 引言 锂在电子、冶金、化工、医药等领域有着重要应用。自然 界中锂主要存在于锂矿石和盐湖卤水、海水和地热水中,盐 湖卤水中锂含量最高,占世界锂储量的66 和锂储量基础的 8O%以上…。盐湖卤水提锂较矿石提锂工艺简单、成本低、 结合每一类吸附剂的结构特点提出了相应的改进措施,期望 对吸附剂的发展和盐湖提锂提供一些参考。 1 吸附法提锂的概念 吸附法提锂即用对锂离子有选择性吸附的吸附剂来吸 附锂离子.再用洗脱液将锂离子洗脱下来浓缩富集,达到锂 离子与其他杂质离子分离的目的。吸附法提锂的核心是研 环境友好,适应市场需求,目前,提锂的研究对象主要为盐湖 卤水。另外,随着电池工业用锂量的上升及锂离子电池用量 的不断增加,从废旧电池中回收锂也成为提锂的一个重要方 向 。 制性能优异的吸附剂,要求吸附剂对锂离子的选择吸附性强 以及吸附一脱附性能稳定,并且制备方法简便,价格适中,对环 境无污染等。 盐湖卤水提锂技术主要有沉淀法、萃取法、离子交换吸 附法、煅烧浸取法、电渗析法、蒸发结晶法、盐析法等 ]。在 2吸附剂的分类及研究现状 锂吸附剂主要包括有机吸附剂和无机吸附剂,其中,有 机吸附剂因高昂的成本和对环境的危害应用较少。目前研 究较多的是无机吸附剂,无机吸附剂对I i 有良好的选择性 及筛效应,吸附效果好、操作简便。无机吸附剂主要包括铝 基吸附剂.层状离子交换吸附剂.钛基、锑基及锰基吸附剂。 众多提锂技术中,吸附法不仅适用于高Mg/I i比盐湖卤水, 且操作简单、环境友好、成本低,被公认为是盐湖卤水提锂的 最佳方法。本文主要讨论了铝基吸附剂,层状离子交换吸附 剂,钛基、锑基及锰基锂离子筛等无机吸附剂的结构特征、提 锂原理、发展现状以及在盐湖卤水提锂过程中的优缺点,并 *国家自然科学基金(51302280;51574186);青海省自然科学基金(2014一ZJ一936Q);中国科学院西部之光人才培养计划 许乃才:男,1984年生,博士研究生,讲师,研究方向为无机功能材料的设计、制备及应用 E-mail:xunc@qhnu.edu.cn 李武:通 讯作者,研究员,主要研究方向为盐湖卤水综合利用 E-mail:liwu2016@126.tom 刘忠:通讯作者,副研究员,主要研究方向为无 机功能材料的设计、合成及结晶动力学E-mail:liuzhong@is1.ac.cn 利用吸附技术提取盐湖卤水中锂的研究进展/许乃才等 ・ 117 ・ 2.1铝基吸附剂 Th(HAsO4)2+2Li Th(LiAsO4)2+2H (3) 2.1.1无定型氢氧化铝沉淀法提锂 这类吸附剂含有毒元素砷,在提锂过程中会对盐湖及周 无定型氢氧化铝吸附剂表面含有大量的自由羟基,在一 边环境造成污染,由于盐湖周边生态环境脆弱且破坏后恢复 定条件下表现出一定的酸性。在碱性介质中,溶液中的“ 困难,因此该类吸附剂在盐湖锂资源提取的实际应用中并不 与氢氧化铝表面的羟基氧结合,生成难溶性的铝酸盐(LiH一 常用。另外,日本工业技术院四国工业技术实验所曾经从含 (A102) ・5H 0)而被吸附L4],H 脱离羟基后与OH一结合 锂浓度高的地热水中提锂,研发出的氧化锑基、磷酸铋基、氧 生成水。其吸附原理可用式(1)表示。 化锡基吸附剂均显示出很高的吸附特性l_】 。 OH+Lj +0H一 C卜Li+H2O (1) 2.2.2层状二氧化锰吸附剂 其中s代表氢氧化铝基体。此类吸附剂对Li 的吸附量与其 锰氧化物通过[MnO ]八面体共边的连接方式呈现出层 浓度有重要关系。一般情况下,Li 浓度越大,Al(0H)。的吸 状结构,层板带负电荷,为了维持化合物的电中性,层间需要 附能力越强。例如,刘高[5]开展了氢氧化铝沉淀法提锂的工 一定数目的阳离子来稳定骨架结构。利用这一特性,层状二 艺研究。该方法对 具有高的选择性,沉淀率高,易实现工 氧化锰可用来吸附盐湖卤水中的阳离子。图1为Birnessite 业化,但能耗和成本高,很难实现氢氧化铝吸附剂的循环利 层状结构中金属离子吸附位点示意图L】 。由图1可知,Li 用。针对存在的问题,该工作组以四川盆地地下卤水经浓缩 可以按B吸附位点的方式固定在层状二氧化锰层间。王小 后的老卤为研究对象,系统研究了无定型氢氧化铝吸附法从 敏[1。 制备和研究了a、G、7、8四种晶型MnO2的晶体结构,并 卤水中提锂的工艺及铝的循环利用,最终提出用碱溶法实现 应用于锂离子的吸附,mMnO2的吸附效果最好,且具有很高 铝的循环利用,开发了一条卤水提锂的全新工艺。此外,美 的吸附选择性。 国的Bauamn[6。]也利用此方法进行了大量从盐湖卤水中分 离提取锂的研究。 t 2== 函 ‘ 2.1.2铝盐吸附法提锂 @ 嘲 铝盐作为锂离子筛提锂是由铝盐沉淀法提锂发展而来 ; 圆 的。铝盐吸附剂一般表示为LiX・2Al(OH)。・nH O,其中 X代表阴离子(例如C1一和Br一), 为结晶水个数。用洗脱液 0:Agj【e(1argei0n) 将结构中的Li十洗掉后,即可得到具有规则空隙结构的无机 图1 Birnessite层状结构中金属离子吸附位点示意图Ⅲ] 离子筛,这种空隙结构对目标L 具有高选择性。其吸附和 Fig.1 Schematic diagram of metal ions adsorption sites with 脱附锂的机理如式(2)所示。 birnessite layered structureE“] LiX・2Al(OH)。・nH2O+H2O ̄-xLiX+ 2.2.3其他层状吸附剂 (1--x)LiX・2A1(OH)3・(,2+1)H2O (2) 也有学者通过密度泛函理论、第一性原理等计算方式探 吸附锂的过程中,Li 因尺寸匹配优先进入层状Al一 究了层状物质化合物对Li 的吸附行为。Krepel口朝用密度泛 (oH)。的八面体空穴位置,其余半径较大的碱金属及碱土金 函理论研究了三维石墨烯及扶手椅状的石墨烯纳米带层状 属离子因空间位阻效应不能进入孔道被吸附。董茜等嘲将 化合物对Li 的吸附。Xu等l-1 用第一性原理计算的方法深 Al(oH)。与LiOH按一定配比制成溶液,反应一段时间后加 入研究了u 在1T-MoS2层状化合物中的吸附扩散行为。 入稀HC1,调节溶液的pH值保持在5~7,酸洗3~5 h后将 此类研究工作的开展表明分离提取锂技术在不断的探索、创 混合物水洗除去其中的LiC1,即可得到含特定空穴的Al一 新和发展中壮大。 (OH)。结晶锂离子筛。吸附实验表明,当 (A1(OH)。)/ 2.3钛基锂离子筛 n(LiOH)一2.0,酸洗时间为3~4 h,pH一5.8时,A1(OH)3 钛基锂离子筛是以Ti0。为钛源,Li0H或Li CO。为锂 锂离子筛对 。。的吸附量可达0.6~O.9 nag・g~,且结构稳 源,经高温固相或水热/溶剂热、溶胶一凝胶技术反应生成 定。 u TiO。,再用酸洗脱置换出L ,即可得到偏钛酸型锂吸附 铝基吸附剂制备方便,选择性高,稳定性好,使用寿命 剂H。Ti03。其制备和吸脱附过程可表示为: 长[9],是非常有发展前途的锂吸附剂。但目前所研制的材料 Ti02+Li2CO3一Li2TiO3+CO2 (4) 一般呈粉状,其渗透性和流动性较差,且交换时溶损率较大。 Ti02+2LiOH—Li2TiO3+H2O (5) 该类吸附剂应从材料成型和改性方面加大研究力度,以期实 Li2TiO3+2H H2TiO3+2Li (6) 现良好的循环利用性。 国内外研究学者对钛基锂离子筛做了大量研究工作。 2.2层状离子交换吸附剂 闫树旺等L1 5_把TiO 和Li CO。充分混合,在助溶剂作用下高 2.2.1 高价金属的砷酸盐和磷酸盐 温焙烧,再经HC1洗脱后得到TiO 氢型锂离子筛吸附剂。 高价金属离子的砷酸盐和磷酸盐具有层状结构,当其层 卤水提锂结果表明,Tio2对Li 有很高的选择性,饱和吸附 间距较小时,可吸附Li+,对Li 的选择性较强。例如,砷酸 容量高达29 mg・g~。另外,该课题组利用三聚氰胺一甲醛 钍(Th(HAsO )。)的晶体结构比较紧密,层间距与Li+半径 氨基树脂对其进行造粒,得到了具有一定粒径的粒状Ti02 非常接近(0.088 nm),因此Li 能迁入其中置换H ,其他离 锂离子筛。吸附实验表明其饱和吸附容量保持在28.5 mg・ 子因空间位阻效应被阻挡在晶体外面,从而实现分离目的。 g_。,且溶损低,具有良好的循环利用性。Zhang等[1 分别以 其吸附原理为离子交换过程,如式(3)所示。 CH3COOLi和Ti(OC4H。) 为锂源和钛源,用溶胶一凝胶及高 ・ 118・ 材料导报A:综述篇 2017年9月(A)第31卷第9期 温焙烧技术合成了Li TiO。前驱体,然后用HC1洗脱处理得 到H2TiOs锂吸附剂。研究表明,制备过程中煅烧温度对 Li Ti0 的粒径有一定影响,L 的洗脱率为78.9 ,Ti4 的 溶损可控制在0.07 以内。Li 浓度和pH值是影响锂吸附 容量的最关键因素,提锂机理涉及离子交换和表面吸附的协 等混合反应生成前驱体,再经过酸洗脱制得。其中,具有尖 晶石结构的bMnOz对Li 具有特殊吸附效应,它具有三维 网络离子隧道结构,便于Li 嵌入而形成最合适的结构晶型。 尖晶石结构主要包括LiMn。04和Li Mn5O 2,其中LiMbO 的研究最为广泛。研究表明_1 ,尖晶石型锰氧化物具有吸附 同作用。另外,含钛复合物锂离子筛的研究也取得了一定进 展。郑春辉[1 ]以尖晶石型钛系复合氧化物为合成目标,合成 了MgzTiO 和Li Ti O 两种新型无机提锂交换剂前驱体, 再用稀HC1将其转型后得到LbTi—o(H)和M ̄Ti-O(H)交 换剂。利用吸附实验分别测定了它们的锂离子交换性能以 及对Li 的交换热力学和动力学性质,结果表明,吸附效果良 好,具有推广价值。郑建国_】 以甲基丙烯酸己酯(MMA)为 单体,采用乳液聚合技术制取了粒径大约为100 nm的聚甲 基丙烯酸甲酯(PMMA)微球,然后配制好前驱液对PMMA 进行填充,经处理后得到L Ti Z o 。前驱体再用0.2 mol・L HC1置换H ,最终得到氢型锂吸附剂。吸附实验 结果表明,当酸改性后吸附剂质量为O.05 g,LiC1一LiOH浓 度为0.05 mol・L 时,饱和交换吸附容量最高可达5O.61 mg・g~。 钛基锂离子筛制备简单、对L 选择性高、吸附容量大, 锂洗脱率高且溶损率低,被认为是一种优于二氧化锰离子筛 的无机离子交换剂。但该类吸附剂与多数粉末吸附材料一 样,不便于柱式操作,且吸附速率较慢,吸附饱和时间较长, 有必要进行包覆、交联等改性操作。 2.4锑基锂离子筛 锑酸及钛/锡的锑酸盐对Li 具有特殊的选择性,有望从 锂资源中回收锂,其吸附原理为H 与Li。。之间的离子交换 作用。阿部光雄等l_19_对锑酸的合成进行了大量研究,成功合 成了立方晶系、玻璃状及无定型的锑酸。Chitrakar等_2们利 用模板法制备了对锂离子具有特殊选择性的单斜晶系锑酸 HESb(OH)。]。单斜晶系锑酸与立方晶系锑酸的区别在于, 前者内部结构不含吸附水,以非水合状态存在,而后者含有 吸附水。该类型的锂离子筛对Li 有显著的吸附选择性,吸 附量达5.4 mmol・g-。。肖小玲等l_2 曾用过渡金属氢氧化 物与锑酸复合,制备了对Li 具有特殊选择性的锑酸盐。当 用Sn 的锑酸盐来吸附锂时,Sb/Sn比例越高,对Li+的吸附 容量就越大,最大吸附容量可达1.O~1.4 mg・g~。经核磁 共振(HNMR)研究发现,在 选择性高的吸附位点,锂吸 附得非常牢固,最后可通过改变解析液的酸度来回收锂。白 莲花等_2 ]研究了锑基材料的制备及其储锂性能,以 半胱 氨酸为硫源,SbC1。为锑源,无水乙醇为溶剂,采用溶剂热法 制备了一系列锑基复合材料(Sb。s3、Sb @C及Sb 0 Cl / rGO/C),并对其形貌、微观结构和电化学储锂性能进行了表 征和研究。实验结果表明,该类材料具有优异的电化学储锂 性能和循环性能。 锑基锂离子筛对Li 具有高的选择性,吸附容量大、溶损 小,是一类很有应用前景的锂吸附剂。该类吸附剂的研究起 步较晚,结构掺杂及表面改性是后续有意义的研究方向之 一o 2.5锰基锂离子筛 锰基锂离子筛是由不同配比的锂、锰的碳酸盐或氧化物 容量大、成本低廉、操作简单等优点,是目前研究最多、最具 应用前景的一种新型、高效、绿色的提锂剂,但在酸洗脱过程 中不稳定的结构限制了其工业化发展。锰基锂离子筛的提 锂原理可用式(7)和式(8)表示。 吸附:Li +H-MnO2一Li-MnO +H (离子交换) (7) 脱附:Li—MnO2+H 一H—MnO2+Li (离子交换) (8) 2.5.1锰基锂离子筛的制备 锰基锂离子筛的制备一般分为两个步骤:(1)利用化学 反应合成锂离子筛前驱体;(2)酸洗脱去除Li 。目前使用的 洗脱剂主要有HCl、HN()3、H2SO 和(NH ) S O8溶液。锰 氧化物锂离子筛的构造、形貌和性质对提锂十分重要,因此 采用恰当的方法合成其前驱体非常关键。目前,锰基锂离子 筛的制备主要集中在前驱体的合成、形貌调控及结构改性等 方面。 锰基锂离子筛前驱体的制备主要分为固相法和液相法。 固相法又分为高温固相法、微波烧结法、固相配位法、机械化 学法等。高温固相法是指在高温下固体界面间经过接触、反 应、成核、晶体生长反应而生成目标产物的一种方法。Xiao 等l_2。]以廉价的锰源和锂源为原料,用两步高温焙烧程序合成 了尖晶石型Li Mn O ,酸洗后得到了球状Mn02・0.4H O 锂离子筛。微波烧结法的特点是从材料内部开始加热,热源 来自微波作用于材料内部转化成的热能,这种加热方式不仅 可以有效降低能源损耗,还能大大缩短反应时间,使材料的 均匀性得到进一步改善。Yah等[2 ]以LiOH・H。O为锂源, Mn02为锰源,在700 ̄750℃条件下采用微波技术制备了尖 晶石型的LiMn204。固相配位法是在常温下制备金属配合 物,再在一定温度下将其经煅烧分解得到目标产物。许慧 等__25]采用EDTA一柠檬酸络合法制备了LhM【15O1。前驱体,经 酸脱锂后得到锰氧化物锂离子筛,最高吸附容量达43.1 rng・ g~。机械化学法是通过挤压、剪切、摩擦等手段对物质施加 机械能,从而诱发其物理化学性质变化,使物质与周围环境 中的固体、液体、气体发生化学变化。固相反应不使用溶剂, 具有高选择性、高产率、工艺过程简单等优点,但其反应速率 缓慢,通常在高温下进行,反应基本在相界面上进行。 液相法是将均匀液相通过各种途径使溶质和溶剂分离, 溶质形成一定形状和大小的粉末,再经高温热解得到产物。 液相法主要包括共沉淀法、溶胶一凝胶法、水热法、微乳液法、 熔融盐法及超声辅助法等。溶胶一凝胶法是将金属有机化合 物在溶剂中充分混合,经溶液、溶胶、凝胶过程将材料固化, 再经高温热处理生成氧化物的一种方法。该方法制备温度 低,形貌易于控制,产物纯度高,颗粒能达到纳米级或亚微米 级,但程序繁琐,工业化成本较高。Michaiska等-2 ]以 (C2H3O2)Li・2H2O、(C2H3O2)2Mn・4H2O、 H5 07・H2O 和(C H O )Fe・H。O为原料,经改性的溶胶一凝胶技术制备 利用吸附技术提取盐湖卤水中锂的研究进展/许乃才等 ・ 119 ・ 了尖晶石型LiMn 04。沉淀法即在原料中加入沉淀剂发生 kJ・tool )高于Mn-O键(946 kJ・tool )r3 。借鉴铝掺杂 化学反应,随后对沉淀物进行过滤、水洗、干燥即可得到最终 在电池电极材料方面的研究,马立文等口 制备了铝掺杂的锰 产物。该方法易控制,产物均匀、颗粒细小,且性能稳定,重 系锂离子筛前驱体。由于Al抖半径(0.067 nm)小于Mn抖半 复性好,但也存在成本高、工艺相对复杂等缺点。Feng等[2 ] 径(O.079 rim),A1抖进入尖晶石结构后金属平均原子距离减 将LiOH、Mn(NO。) 和Mg(NO。)。溶液充分混合后,通过共 小,原子间作用力增强,晶格收缩,同时A1 键能(512 td・ 沉淀及高温热处理技术制备了Mg 取代的尖晶石结构 otol )大于Mn-O键能(402 kJ・tool ),且Al”不产生 LiMgo. Mn 04。水热法的特点是在高温高压下进行化学反 Jahn-Teller效应,所以能使晶体结构更加稳定,锰的溶损降 应,经氧化还原或沉淀反应生成氢氧化物溶于水,最后析出 低。由于二氧化钛具有尖晶石结构,Ti 掺人后能完全进入 氧化物。该方法发展迅速,与固相法相比具有结构稳定、成 到LiMnzO 晶格内,加上Tio 酸洗脱时溶损小,所以酸洗脱 分均匀和晶型完整等优点。Zhang等l_2 ]在水热体系中一步 前后尖晶石结构基本保持不变。但T 的掺入并不能取代 合成了立方尖晶石LiMn 04前驱体,经酸抽锂后,得到了 部分Mn ,也不能提高尖晶石结构中Mn的平均化合价,因 MnO 纳米棒锂离子筛。相对于固相反应,液相法合成的前 此从结构角度讲并不能减少锰的溶损。秦毅红等L3 以TiO 驱体纯度高、均匀性好、化学组成控制准确。 为掺杂体,采用固相法制备了LiMn。…Ti 04,制备的掺杂物 锰基锂离子筛前驱体的洗脱液主要有HCl、HN03、 具有与LiMn O 同样的尖晶石结构,并且颗粒形貌随钛的引 H2S04及(NH )2 S208溶液。其中,HNO3和HzS04溶液因 入得到改善。电化学测试结果显示:钛掺杂能提高LiMn 04 强氧化性加剧锰的溶损而基本不用,HCI溶液虽然无氧化 的循环性能,电化学容量衰减得到抑制。此外,Tian等I3 采 性,但依然会对锰骨架产生侵蚀效应_2 ,一般使用5次以上 用溶胶一凝胶法制备了Mg抖掺杂的尖晶石型锂锰氧化物,经 吸附容量会迅速衰减,大大降低了吸附剂的循环利用次数。 酸洗脱锂后得到锂离子筛,在最优条件下锂的脱除率可达 董殿权等_30]用(NH )。S2O。洗脱前驱体中的u ,发现Li 脱 99.2 。周慧敏等_3B]制备了铬掺杂的尖晶石型锂离子筛前 出率较高,且对锰骨架的侵蚀和锰的溶损有一定的减缓作 驱体Li(Mn0.8 Cr。. 。。 )2O ,当pH值增大至12时离子交换 用,但是NH 进入溶液又会带来新的环境污染。因此,脱 容量为22.26 mg・g~,且抗溶损性能显著提升。也有学者 附过程中洗脱液的选择及脱附机理将是未来一个重要的研 试图通过增大尖晶石结构中的Li含量来提高锰基锂离子筛 究方向。 的稳定性,该方法的本质为掺杂Li 的锰基锂离子筛,因为 2.5.2锰基锂离子筛的掺杂改性 Lit的引入降低了Mn。 的含量,提高了骨架中锰的平均化合 为了降低锰的溶损,有效抑制Jahn-Teller效应,可通过 价,增强了材料的稳定性。陆红岩等I3朝开展了尖晶石型¨。. 一 增强八面体的键合力来稳定尖晶石结构,改善材料的循环稳 Mn .。0 的制备及锂离子筛吸附特性研究。 定性能,科研工作者在锰基锂离子筛结构改性方面做了大量 (3)复合掺杂。为了达到更好的掺杂效果,有学者利用 研究工作l_3 。综合起来主要有两种措施:(1)通过掺杂方式 两种或两种以上元素同时掺人锰基锂离子筛尖晶石结构的 降低Mn。 含量,增强其结构稳定性,进而改善循环性能;(2) 晶格中,以发挥不同单一元素的协同效应,在一定程度上弥 借助包覆手段在一定程度上保护锰基锂离子筛不受环境的 补各自的劣势。禹筱元等 同时掺杂铬和氟元素,制备了 强烈冲击,进而提升其循环利用性。两种改性方法中,后者 LiMn 一 C O4-3xF。 化合物,其锂离子脱嵌可逆性和循环性 尽管提升了吸附剂的稳定性,但并未从结构本质上解决锰的 能都有所提升。 溶损问题。 掺杂虽然在一定程度上提高了吸附剂的稳定性,降低了 锰基锂离子筛的掺杂改性主要包括以下3种。 锰溶损,但吸附容量也在降低。同时,掺杂离子也在溶液中 (1)阴离子掺杂。用部分非金属阴离子Y取代尖晶石结 发生溶损,所以掺杂量不能太大。另外,高价态元素的掺杂 构LiMn O 中的0,即可得到阴离子掺杂的锰基锂离子筛, 更容易与锂、氧结合,但目前研究相对较少。因此,掺杂离子 化学式可表示为LiMn2O 一 (Y—F一、I一、s2一等,O≤卫≤ 半径小于Mn仆且键能大于Mn-O键的高价态金属离子是以 4)[3 。Lee等 合成了锂铝锰氧化物Li[Li 5A10ll。Mn .85]一 后研究的重要方向。 04,再将F一加入其中进行处理得到F掺杂的锂铝锰氧化 2.6其他吸附剂 物。此举虽然可以通过增强静电作用来稳定锰氧化合物的 有机离子交换树脂也可以用于盐湖卤水中锂的分离提 骨架结构,提升材料的稳定性,进而改善吸附剂的循环利用 取。一般来说,有机离子交换树脂对Li 的吸附选择性差、交 效果,但阴离子的加入却增强了Jahn-Teller效应,反而不利 换速度慢、吸附容量小、溶损大、成本相对高且污染环境,因 于降低锰的溶损。 此难以实现工业化,应用前景不理想。例如,IR-120B型阳离 (2)阳离子掺杂。当Li:MnO 中的部分Mn。 被其他阳 子交换树脂就是把人工树脂直接加入到盐湖卤水中吸附 离子所取代时,就可形成阳离子掺杂的锰基锂离子筛,其化 ¨+[ ,但效果不好,未能实现产业化。Shiu等[4 用PVC和 学式可表示为LiN Mn。一 O (N=Mg、A1、Cu、Ni、Cr、Co等, DMF造粒,制得了具有高吸附容量的粒状锰氧化物锂离子 O≤ ≤2)。掺杂阳离子的半径与Mn件半径基本相近,可使 筛。 LiN Mn。一 O 的体积收缩,结构趋于稳定,并在一定程度上 降低Jahn-Teller效应,进而增强吸附剂的循环稳定性。例 3结语 如,Ni 取代尖晶石结构中的部分Mn。 后,体积收缩,结合 从吸附剂的分类、吸附机理及应用进展方面综述了吸附 力和结构稳定性都增强。这是因为Ni—O键的结合能(1 029 法盐湖卤水提锂的研究现状。铝基吸附剂、钛基及锰基锂离 ・ 120 ・ 材料导报A:综述篇 2017年9月(A)第31卷第9期 子筛是未来比较有前途的锂吸附剂。锰基锂离子筛因在酸 洗脱过程中的溶损问题而在发展过程中受到了极大限制,但 掺杂改性是一种稳定尖晶石结构、解决锰溶损和改善材料循 环稳定性的有效方法,掺杂离子半径小于Mn什且结合能大 于Mn-O键能的高价态金属离子是未来锰基锂离子筛结构 改性的重要研究方向。钛基锂离子筛因对Li 呈现出高选择 性、大吸附容量及低溶损性,被认为是一种优于锰基锂离子 12 Wang X M Study on extracting lithium ion from saline bittern water FD].Fuzhou:Fujian Normal University,2008(in Chinese). 王小敏.盐湖卤水中提取锂离子的研究ID].福州:福建师范大学, 2008. 13 Krepel D,Hod O.Lithium adsorption on armchair graphene nano- ribbonsl,J].SurfSci,2011,605:1633. 14 Xu B,Wang L,Chen H J,et at.Adsorption and diffusion of lithium on 1T-Mo ̄monolayer,lJ].Comp Mater Sci,2014,93:86. 15 Yan S W,Zhong H,et a1.Preparation for the granulated titanium dioxide inorganic ion-exchange and recovery of lithium of lithium 筛的无机离子交换剂。MoS 等二维层状化合物也是未来有 发展潜力的锂吸附剂材料。未来锂的开发利用涉及到国家 的经济大动脉,希望各部门联合起来,在保护环境的前提下 开展具有循环工艺特点的开发,推动锂资源锂产品的可持续 发展。 from brine[J].Ion Exchange Adsorpt,1994,10(3):219(in Chi— nese). 闫树旺,钟辉,等.粒状二氧化钛交换剂的研制及从卤水中提锂口]. 离子交换与吸附,1994,10(3):219. 参考文献 1 Dai Z X,Li S Z.Irresistible trend Extracting lithium resources 16 Zhang L Y,Zhou D L,et a1.Preparation of HzTiOa—lithium adsor— bent by the sol—gel process and its adsorption performancel,J].Appl Surf Sci,2016,368:82. from salt Lakes[-J].J China Univ Geosci,1999,260(1):45(in Chi— nese). 17 Zheng C H.Synthesis of new composite based on titanium and study on lithium adsorption property[D].Qingdao:Qingdao University of Science and Technology,2007(in Chinese). 戴自希,李树枝.不可抗拒的趋势——从盐湖中提取锂资源t-J].中 国地质,1999,260(1):45. 2 Li L,I iu F,Wu F,et a1.Progress of research on the manganese 郑春辉.新型含钛复合物的合成及其体力性能研究I-D].青岛:青岛 科技大学,2007. 18 Zheng J G.Study on the preparation and Li adsorption exchange oxide ion-sieve for extracting lithium[J].j lnorg Mater,2012,27 (10):1009(in Chinese). property of titanium and zirconium compound oxides[D].Qingdao: Qingdao University of Science and Technology,2016(in Chinese). 李丽,刘芳,吴峰,等.提锂用锰氧化物离子筛的研究进展[J].无 机材料学报,2012,27(10):1009. 3 Swain R Recovery and recycling of lithium:A review I-J].Sep Purif Technol,2017,172:388. 郑建国.钛、锆复合氧化物的合成及对“叶。的吸附交换性能研究 ,lD1.青岛:青岛科技大学,2016. 19阿部光雄,等编.当代离子交换技术I-M].王元,等译.北京:化学工 业出版社,1993. 2O Chitrakar R,Sonoda A,Sakane K.A new type of manganese oxide (MnOz・0.5He0)derived from Lil6 Mnl 6 04 and its Li ion sieve .4 S0ng ST,Deng X C,Sun J Research of preparation and use of lithium hydroxide[J].J Salt Lake Res,2005,13(2):60(in Chi— nese). 宋士涛,邓小川,孙建之.卤水制备氢氧化锂研究进展EJ].盐湖研 究,2005,13(2):60. 5 Liu G Research on the extracting of Li+by precipitation of AI(OH)a properties[J].Chem Mater,2000,12:3151. 21 Xiao X L,Dai Z F,Zhu Z H,et a1.Extracting lithium from brines by absorption method I-J].J Salt Lake Res,2005,13(2):66(in Chi— nese). and the recycling of aluminum[D].Chengdu:Chengdu University of Technology,2011(in Chinese). 肖小玲,戴志锋,祝增虎,等.吸附法盐湖卤水提锂的研究进展I-J]. 盐湖研究,2005,13(2):66. 22 Bai L H.Study on solvothermal synthesis and Li—storage properties 刘高.氢氧化铝沉淀法提锂工艺及铝的循环利用研究I-D].成都:成 都理工大学,2011(in Chinese). 6 Bauman,Wil1iam C.Recovery of lithium from brines:US,5599516 of antimony-based materials[D].Lanzhou:Northwest Normal Uni— versity,2013(in Chinese). [P].1997. 7 Bauman。William C.Composition from the lithium values from brine 白莲花.锑基材料的溶剂热制备及其储锂性能研究[D].兰州:西北 师范大学,2013. 23 Xiao J L,Nie X Y,Sun S Y.Lithium ion adsorption-desorption properties on spinel Li4MnsO12 and pH-dependent ion-exchange and process of making using said composition[P].Compiler:US, 6280693l,P].2001. 8 DongQ,LiY J,PiaoXI ,et a1.Recovery oflithiumfrom saltLake bittern using aluminum salt adsorbent EJ3.Chin J Rare Metals, 2007,31(3):357(in Chinese). model LJ].Adv Powder Technol,2015,26(2):589. 24 Yan H W,Huang X J,Chen L Q Microwave synthesis of LiMnz 04 董茜,李燕杰,朴香兰,等.铝盐吸附剂从盐湖卤水中吸附锂的研 究I-J].稀有金属,2007,31(3):357. 9 Li J,Xiong X R Current research status and prospect of extraction of lithium from salt Lake brine with aluminum salt based sorbent cathode material,lJ].J Power Sources,1999,81—82:647. 25 Xu H,Chen C G,Song Y H.Synthesis and properties of lithium ion-sieve precursor Li4Mn5O12[J].J Inorg Mater,2013,28(7):720 (in Chinese). 口].Inorg Chem Ind,2010,42(10):9(in Chinese). 李杰,熊小波.铝盐吸附剂盐湖卤水提锂的研究现状及展望[J-I.无 机盐工业,2010,42(10):9. 许慧,陈昌国,宋应华.锂离子筛前驱体LitMnsO12的制备及性能研 究[J].无机材料学报,2013,28(7):720. 26 Michalska M,Lipinska L,Mirkowska M.Nanocrystalline lithium- 1O刘树仁.用氧化锑作锂的吸附剂效率高[J].有色冶炼,1984,2(15): 8. manganese oxide spinets for Li-ion batteries--Sol—gel synthesis and characterization of their structure and selected physical properties 1 1 Feng Q,Kanoh H,Oil K.Manganese oxide porous crystals[J].J Mater Chem,1999。9:319. 口].Solid State Ionics,2011,188(1):160. 27 Feng Q,Miyai Y,Kanoh H.Li and Mg _。extraction and Li+in— 利用吸附技术提取盐湖卤水中锂的研究进展/许乃才等 sertion reactions with LiMg05 Mn15 04 spine1 in the aqueous phase ..性口].无机材料学报,2010,26(3):413. 36 Qin Y H,Ma S D,Zhang Y K.Preparation and electrochemical EJ].Chem Mater,1993,5(3):311. 28 Zhang Q H,Li S P,Sun S Y_LiMnz04 spinel direct synthesis and property of Ti doped LiMn204[J].J Funct Mater,2007,38(10): 1658(in Chinese). lithium ion selective adsorption EJ].Chem Eng Sci,2010,65(1): 169. 秦毅红,马尚德,张云可.钛掺杂尖晶石IAMnz04的制备及电化学 29 Ji Z Y,Yuan J S,Li X G.Synthesis of Li—adsorbent and its adsorp— 性能[J].功能材料,2007,38(10):1658. 37 Tian L Y,Ma W,Han^,L Adsorption behavior of Li onto nano- tion property l-J].Chem Eng,2007,35(8):9(in Chinese). 纪志永,袁俊生,李鑫钢.锂吸附剂的合成及其吸附性能[J].化学 工程,2007,35(8):9. 30 DongDQ,LiuWN,LiuYF Synthesis ofLiNio.05Mn1.9504 andits lithium ion sieve from hybrid magnesium/lithium manganese oxide [J].ChemEng J,2010,156(1):134. 38 Zhou H M,Yuan J S,Zhang L,et a1.Hydrothermal synthesis of doped chromium spinel・・type lithium ion-sieve and its lithium absorp-。 ion-exchange thermodynamics for Li [J].Acta Phys—Chim Sin, 2009,25(7):1279(in Chinese). tion properties[J3.J Funct Mater,2010,42(Z-VI):621(in Chi— 董殿权,刘维娜,刘亦凡.LiNi0.0sMn1.9504的合成及其对Li 的离 nese). 子交换热力学EJ].物理化学学报,2009,25(7):1279. 周慧敏,袁俊生,张亮,等.水热法合成铬掺杂尖晶石型锂离子筛及 31 Hagh N M,Amatucci G G.Effect of cation and anion doping on mi— 其锂吸附性能[J].功能材料,2010,42(Z-VI):621. crostructure and electrochemical properties of the LiMn15 Ni039 I u H Studies on the preparation of spinel Lil.6Mn1.604 and lithium ..5 04一d spinel I-J].J Power Sources,2014,256:457. ion-sieve adsorption properties[D].Xiangtan:Xiangtan University, 32 Chen B Z,Ma L W,Shi X C,et a1.Research progress on prepara— 2011(in Chinese). tion methods for precursors of lithium ion—sieve[J].Inorg Chem 陆红岩.尖晶石型Lil.6Mn1.604的制备及锂离子筛吸附特性研究 Ind,2009,41(7):1(in Chinese). [D].湘潭:湘潭大学,2011. 陈白珍,马立文,石西昌,等.锂离子筛前驱体制备方法的研究进 4O Yu X Y,Yu S X,Zhou W Y,et a1.Synthesis and characterization 展EJ].无机盐工业,2009,41(7):1. of Cr-doping modified spinel LiMn2一 Cr.04—3 F3 as cathode mate— 33 Lee H R,Lee B,Chung K Scalable synthesis and electrochemical rials[J].J Chin Ceram Soc,2010,38(6):1053(in Chinese). investigations of fluorine-doped lithium manganese spinel oxide EJ]. 禹筱元,余仕禧,周武艺,等.复合掺杂改性LiMnz一 c 04—3 F3 Electroehim Acta,2014,136:396. 正极材料的制备及性能[J].硅酸盐学报,2010,38(6):1053. 34 Dong D Q,Liu W N,Wu Y F,et a1.Synthesis of spinal Ni—doped 41 Dong Q,Piao X I ,Zhu S L Adsorption techniques and progress on manganese oxide lithium ion-sieve by sol—gel method EJ].J Qingdao the extraction of lithium from salt lake brines I-J].J Salt Chem Ind, Univ Technol,2009,30(4):288(in Chinese). 2007,36(3):31(in Chinese). 董殿权,刘维娜,吴延芳,等.溶胶一凝胶法制备尖晶石结构镍锰氧 董茜,朴香兰,主慎林.从盐湖卤水中提取锂的吸附技术及研究进 化物型锂离子筛fJ].青岛科技大学学报,2009,30(4):288. 展[J].盐业与化工,2007,36(3):31. 35 Ma L W,Chen B Z,et a1.Al-doped lithium manganese oxide:Pre- 42 Shiu J Y,Lin J R,Lee D C,et a1.Method for adsorbing lithium ions paration and stability in acid medium[J].Chin J Inorg Chem,2010, from a lithium containing aqueous solution by a granular adsorbent: 26(3):413(in Chinese). US,20o323l996[P].2003. 马立文,陈白珍,等.I iAl Mnz 04的制备及其在酸介质中的稳定 (责任编辑何欣) (上接第105页) 一 [J].J Tianjin Normal University:Nat Sci Ed,2009,29(4):38(in 67 Zhang Weimin,Li Lihong,Zhu Yonggang,et a1.Study on the water- Chinese). pemreable materials based on aeolian sandl'J].Thermosetting Res- 陈平,邓湘云,董磊,等.无机胶凝沙漠绿化砖制备及其性质的研究 in,2012(6):57(in Chinese). [J].天津师范大学学报:自然科学版,20O9,29(4):38. 张伟民,李丽红,朱永刚,等.砂基透水材料的研究口].热固性树 72 Li Ting,Deng Xiangyun,Li Jianbao.Study on the influence of the 脂,2012(6):57. crystal aluminum chloride on the mechanical properties of the green 68 Qin S,Jia Y。Wang Z,et at.Composition used for high-strength chemical sand-fixing brick[J].J Ceramics,2009,30(4):452(in Chi— and impermeable concrete:US,US8652250[P].2014. nese). 69郑凤莲.一种高强高透水性混凝土及其制备方法:中国,CN 李婷,邓湘云,李建保.结晶氯化铝对沙漠绿化砖机械性能的影响 101182172 hiP].2008—05—21. 研究[J].陶瓷学报,2009,30(4):452. 70 Wang Ping,Li Guochang.Study on preparation and performances of 73 Berlineanu A,Wang Xuezhi.Preparation and application of new- water permeable brick from desert sand I-J].Non-Metallic Mines, type eco-environmental pemreable mortar[J].New Chem Mater, 2010,33(5):61(in Chinese). 2005,33(3):66(in Chinese). 王萍,李国昌.沙漠沙透水砖的制备及性能研究[J].非金属矿, Berlineanu A,王学智.新型生态环保透水砂浆的制备和应用[J].化 2010,33(5):61. 工新型材料,2005,33(3):66. 71 Chen Ping,Deng Xiangyun,Dong Lei,et a1.Research on prepara— (责任编辑杨霞) tion and properties of inorganic cementitious desert greening bricks